[논문]자성유체용 마그네타이트의 합성 및 특성

백인호; 정노희

doi:10.12925/jkocs.2012.29.1.8

자성유체용 마그네타이트의 합성 및 특성
Synthesis and Properties of Magnetite for Ferrofluid 원문보기

한국유화학회지 = Journal of oil & applied science, v.29 no.1, 2012년, pp.63 - 70

백인호 (충북대학교 공과대학 공업화학과) , 정노희 (충북대학교 공과대학 공업화학과)

초록
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자성유체 유체씰에 사용할 수 있는 마그네타이트를 공침법에 의하여 합성하였다. 마그네타이트의 평균입자크기는 동적광산란 측정장치(DLS)에 의해 약 10-12 nm 로 측정되었다. XRD 측정결과, $NH_4OH$ 의 농도가 증가함에 따라 마그네타이트의 결정화도가 증가하였다. 수중 분산된 자성유체의 제타전위는 -49.3 mV 에서 -26.2 mV 까지 DLS에 의하여 측정되었다. 입자의 형상은 구형이었고, 수상과 유상 자성유체에서 스파이킹 효과를 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Magnetite in the use of magnetic fluid seal was synthesized by coprecipitation method. Mean particle size of magnetite was measured about 12 nm by using dynamic light scattering(DLS). As a result of XRD test, along with the $NH_4OH$ concentration was increased, the crystallinity of magnetite was increased. The zeta potential of dispersed ferrofluid in water was measured in the range from -49.3 mV to -26.2 mV by DLS. The shape of magnetite particle was sphere form, and the spiking effect of aqueous and oily ferrofulid was confirmed.

주제어

AI 본문요약
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제안 방법

X-선 회절분석은 X-ray diffractometer D8(Bruker AXS Co.,Korea)로 측정하였다. 자성유체는 분산제에 의해 증류수에 분산된 것을 건조하여 측정하였다.
70 몰로 임의의 값에서 실시하였다. 각각의 실험조건에서 평균 입자크기가 가장 작은 조건을 최적 조건으로 결정하고, 다음 실험조건에 적용시켜 실험하였으며, 측정된 평균 입자크기는 DLS로 측정된 값이다.
따라서, 본 연구는 현재 마그네틱 유체유체씰에 적용된 자성유체 중 마그네타이트를 공침법으로 합성하였고, 교반속도, 반응온도, 교반시간, 침전제의 농도에 따른 마그네타이트의 평균 입자크기와 입도분포를 확인하였다. 입자들의 분산성은 DLS 를 이용해 제타포텐셜을 측정하였다.
입자들의 분산성은 DLS 를 이용해 제타포텐셜을 측정하였다. 또한, 합성한 마그네타이트를 미네랄 오일에 분산시켜, 실제 마그네틱 유체씰에 적용하여, 사용 적합성을 검토하였다.
마그네타이트 입자를 네오디움(Neodium) 자석을 이용하여 응집시키고, 증류수로 2∼3 회 수세한 후 수상분산제인 TMAH을 2 mL를 첨가하여 초음파 발생기로 1 시간 동안 분산시킨다.
본 연구에서는 마그네타이트 입자를 공침법으로 합성하였다. 합성된 마그네타이트의 조건에 따른 결정상의 변화나 평균 입자크기, 분산성을 확인하였으며, 유상으로 제조하여, 마그네틱 유체씰에 적용한 결과는 다음과 같다.
수상 자성유체의 마그네타이트 입자에 대한 분산성을 측정하기 위해 각각의 실험 시료마다 제타포텐셜을 측정하였다. 각각 시료들의 pH의 범위는 10∼12에서 실시하였으며, Fig.
,Korea)로 측정하였다. 자성유체는 분산제에 의해 증류수에 분산된 것을 건조하여 측정하였다. 측정범위는 20∼80°로 하였으며, 대상은 Cu이고 X-ray source는 Kα, 스캔 속도는 1°/min으로 하였다.
자성유체의 응용은 자성유체가 가장 많이 사용되는 마그네틱 유체씰에 응용하였다. 수상 자성유체는 금속의 부식, 낮은 점도, 낮은 끓는점 온도 등에 이유로 적용이 불가능하기 때문에 최적 조건에서 생성된 마그네타이트 입자를 유상에 분산시킬 필요가 있다.
제타포텐셜, 입도분포를 확인하기 위해 동적광산란 광도계(Dynamic Light Scattering, Zetasizer Nano S, Malvern Co.,Korea)와 투과 전자현미경(Transmission Electron Microscope, Libra 120, Carl Zeiss Co.,Germany)을 측정하였다.
마그네타이트는 Table 1과 같은 조건에서 합성되었다. 최초의 실험조건에서 교반속도를 변화시켰으며, 반응온도 50℃, 교반시간 2 시간, 침전제의 농도 0.70 몰로 임의의 값에서 실시하였다. 각각의 실험조건에서 평균 입자크기가 가장 작은 조건을 최적 조건으로 결정하고, 다음 실험조건에 적용시켜 실험하였으며, 측정된 평균 입자크기는 DLS로 측정된 값이다.
본 연구에서는 마그네타이트 입자를 공침법으로 합성하였다. 합성된 마그네타이트의 조건에 따른 결정상의 변화나 평균 입자크기, 분산성을 확인하였으며, 유상으로 제조하여, 마그네틱 유체씰에 적용한 결과는 다음과 같다.
합성장치는 Fig. 1과 같이 용량이 1,000 mL인 둥근바닥 5구 플라스크에 환류 냉각기, 건조관, 교반기, 온도계를 설치하고, 항온수조에서 마그네타이트를 합성하였다. 마이크로튜브 펌프(MP-3, Rikakikai Co.

대상 데이터

먼저 유상의 선택은 증기압의 특성, 점도, 끓는점의 온도 등의 물성이 마그네틱 유체씰이 사용되는 조건에 부합되어야 하며, 마그네틱 유체씰에 적용하여 사용하였을 경우 O₂, N₂, Ar 등과 같은 기체와 반응성이 없어야 한다. 일반적으로 사용되고 있는 마그네틱 유체씰의 유상은 석유계 오일을 주로 사용하고 있어, 본 연구는 석유계 오일 중에 하나인 미네랄 오일을 사용하여 유상 자성유체를 제조하였다.
출발물질로 FeCl2·4H2O(99 %, SAMCHUN chemical Co.,Korea)과 FeCl3·6H2O(97 %, SAMCHUN chemical Co.,Korea)을 사용하였다.
,Korea)을 사용하였다. 침전제로 NH₄OH(25 %, Samchun chemical Co.)를, 분산제로는 (CH₃)₄NOH(TMAH, 25 %, ALFA chemical Co.,U.S.A.)을 사용하였다. 합성된 마그네타이트 입자는 올레산나트륨 특급 시약(JUNSEI Chemical Co.
)을 사용하였다. 합성된 마그네타이트 입자는 올레산나트륨 특급 시약(JUNSEI Chemical Co.,Japan)을 사용하여, 1차적으로 분산시켰으며, 2차 분산제로 polyhydroxystearic acid(99 %, Mw 580 g/mol, Innospec Active Chemical Co.,U.S.A.)를 사용하였다.

데이터처리

따라서, 본 연구는 현재 마그네틱 유체유체씰에 적용된 자성유체 중 마그네타이트를 공침법으로 합성하였고, 교반속도, 반응온도, 교반시간, 침전제의 농도에 따른 마그네타이트의 평균 입자크기와 입도분포를 확인하였다. 입자들의 분산성은 DLS 를 이용해 제타포텐셜을 측정하였다. 또한, 합성한 마그네타이트를 미네랄 오일에 분산시켜, 실제 마그네틱 유체씰에 적용하여, 사용 적합성을 검토하였다.

성능/효과

5은 침전제인 NH₄OH의 몰수에 따른 입도분포를 나타낸 그래프이다. 0.35 몰의 농도로 첨가하였을 때의 입자크기는 40 nm로 다소 큰 평균 입자크기가 측정되었으며, 0.70 몰, 1.05 몰로 증가할수록 입자크기는 18 nm, 15 nm의 크기로 감소하였다. 그러나 1.
1. DLS로 평균 입자크기를 측정한 결과 교반속도 400 rpm, 반응온도 50°, 교반시간 2 시간, 침전제의 농도 1.05 몰로 합성한 마그네타이트를 TMAH로 증류수에 분산시켜 측정한 평균 입자크기는 15 nm이다.
2. XRD 측정결과 침전제의 농도에 따라서 결정성이 증가하였고, 회절선 2θ가 35°, 62°, 29°에서 (311)면, (440)면, (220)면이 관찰된 것으로 보아 마그네타이트가 합성된 것을 확인하였다.
3. 제타포텐셜의 측정결과 가장 높은 값은 -49.3 mV이고, 가장 낮은 제타포텐셜은 -26.2 mV로 sample-7에서 측정된 것으로 보아 TMAH에 따른 마그네타이트는 증류수 상에 대한 분산성은 안정하다.
4. TEM 측정결과 마그네틱 유체씰에 사용되고 있는 두 개의 자성유체와 제조한 유상 자성유체의 입자크기는 모두 10∼12 nm로 측정되었으며, 제조한 자성유체의 경우 상용화 제품보다 분산성이 안정하며, 입자는 육각형에 가까운 형태로 균일하게 합성되었다.
5. 제조한 자성유체를 마그네틱 유체씰에 적용하여, 헬륨 누출 및 고진공 시험한 결과 1 hr 동안 자성유체의 변화 없이 5.25 × 10-5 Pa의 진공이 유지되는 결과가 나왔으며, 200 sec 동안 헬륨의 누출이 없었다.
DLS로 측정한 평균 입자크기는 F400은 14 nm, A400은 17 nm, sample-12와 같은 경우는 15 nm로 측정되었으나, TEM을 이용한 평균 입자크기는 측정한 시료 모두 10∼12 nm로 측정되었다.
2 mV로 다소 분산성이 낮게 나타났다. 교반시간에 따른 제타포텐셜의 값은 2 시간에서 -39.9 mV 값이 측정되었고, 침전제의 농도에 따른 평균 제타포텐셜의 값은 침전제의 농도가 1.05 몰일 경우 가장 낮은 -49.3 mV 값이 측정되었다. 위와 같은 결과에서 평균 입자크기가 작을수록 입자표면에 흡착된 OH^-가 많아서 검출된 결과라 생각된다.
이는 마그네타이트 입자에 올레산나트륨의 카르복실기(R-COO^-)가 마그네타이트 표면의 철 이온과 안정한 화학 흡착층을 형성한 것 이외에 전해질이나 유리 전해질이 화학적 흡착층 위에 물리적 흡착층을 형성하여서 평균 입자크기가 증가한 것이다[17]. 그러나, 최종 생성된 유상 자성유체의 마그네타이트 평균 입자크기가 32 nm로 올레산 나트륨으로 분산시킨 마그네타이트 보다 작은 크기로 측정되었다. 이 같은 경우는 제조 과정중 염산을 이용한 pH 조절 과정에서 응집과 메탄올과 증류수에 의한 세척과정에서 물리적 흡착층을 형성한 유리산과 유리 전해질이 제거되어 올레산나트륨으로 분산시킨 마그네타이트보다 작은 크기가 측정된 것으로 사료된다.
반응조건에 따라 약간의 회절 피크의 변동이 있으나, 첫 번째 회절피크는 2θ = 35°에서 (311)면이, 두 번째 회절피크는 2θ = 62°에서 (440)면이, 세 번째 회절피크는 2θ = 29°에서 (220)면이 관찰되는 것으로 보아 공침법으로 합성된 수상 자성유체의 나노입자가 마그네타이트 결정상임을 확인 하였다[15]. 본 연구에서 교반속도, 반응온도, 반응시간, 침전제의 농도 조건변화에서 상변화는 없었으나, 침전제의 농도가 증가함에 따라 마그네타이트의 결정성이 약간 증가하였다. 측정된 피크가 낮은 이유는 먼저 산화철 계열의 입자에 대한 결정상 자체가 XRD 측정 시 많은 잡음이 발생하기 때문에 결정면의 피크가 낮게 측정된다.
위와 같은 결과에서 평균 입자크기가 작을수록 입자표면에 흡착된 OH^-가 많아서 검출된 결과라 생각된다. 제타포텐셜의 평균값이 대략 -30 mV 이하의 값이 측정되는 것으로 보아 Tetramethyl Ammonium Hydroxide에 따른 마그네타이트는 증류수 상에 대한 분상성이 매우 안정한 것으로 사료된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	마그네틱 유체씰의 기존 유체씰에 대한 장점은?	기존의 기계 유체씰(mechanical seal), 오링 유체씰(o-ring seal)은 고체마찰의 발생으로 저항이 커서, 마모에 의한 분진발생의 위험이 있으며, 수명이 짧은 단점이 있다. 그러나 마그네틱 유체씰은 유체접촉이므로 마찰저항이 작고 마모가 없어 청결하며, 수명이 긴 장점을 갖는다[8]. 이와 같은 장점에 의해 마그네틱 유체씰은 반도체, LCD 등의 진공공정을 위한 챔버 밀봉에 독점적으로 사용되고 있다[9-12].
	마그네타이트 입자를 공침법으로 합성하여 제조한 자성유체의 장점은?	4. TEM 측정결과 마그네틱 유체씰에 사용되고 있는 두 개의 자성유체와 제조한 유상 자성유체의 입자크기는 모두 10∼12 nm로 측정되었으며, 제조한 자성유체의 경우 상용화 제품보다 분산성이 안정하며, 입자는 육각형에 가까운 형태로 균일하게 합성되었다.
	자성유체란?	자성유체(ferrofluid)란 마그네타이트(magnetite, Fe3O4)와 같은 자성 분말을 안정하게 분산시키기 위해 콜로이드 용액으로 원심력과 자기장 속에서 분산질과 분산매의 분리가 일어나지 않으며, 외관상 액체가 강자성을 띠고 있어, 액체의 유동이 자기장에 의해 통제될 수 있다[1]. 자성유체는 1960년대 미항공우주국(NASA)에서 로켓연료를 자성유체화하여 무중력 상태에서도 연료탱크 속에 고정하기 위한 연구에서 개발되기 시작하였다[2].

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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